科技有狠活|《阿凡达》的“脑机接口”还要多久?

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封面新闻 2022-12-18 20:53 133642

封面新闻记者 谭羽清 边雪

《阿凡达:水之道》终于上映了。

遥想13年前《阿凡达》面世,鲜有耳闻的前沿技术,比如动作捕捉、3D摄影,还有超越时代并贯穿整个剧情的“脑机接口”。

2022年,随着《阿凡达:水之道》的热映,脑机接口被大家再次谈起。凡是有人要形象化地说明脑机接口技术,用《阿凡达》来作为回答也能成立,但具体而言,脑机接口远比电影里复杂得多。

脑机接口(Brain-Computer Interface)是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与人脑和外围电子设备之间建立的、不依赖于常规大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的一种全新通讯和控制技术。近几年,随着人工智能、大数据、神经生物学、传感器等技术的进步,脑机接口迎来新突破,开始进入快速发展的阶段。

5G时代的到来,将科幻电影中的场景一个个变为现实,通过VR技术和元宇宙的发展,人类已经可以进入平行的虚拟世界“模拟人生”。在以2154年作为故事背景的《阿凡达1》中,脑机接口技术让人类突破身体的局限,变得更高、更快、更强。天马行空的电影桥段,会有从荧幕走向现实的可能吗?12月17日,封面新闻记者专访了南开大学人工智能学院段峰教授。


脑机接口已完成动物实验


“大家在《阿凡达1》等科幻电影中看到的脑机接口技术应用,是要远于现实的,但我们也是从多个角度努力来不断地逼近电影里的场景。”

《阿凡达1》中男主角躺进可操纵Navi族克隆身体的仪器(图片来源于网络)

12月17日,南开大学人工智能学院段峰教授在接受封面新闻专访时表示,如果想要达到《阿凡达》影片中躺入仪器即可操纵另外一具身体的效果,还有诸多技术难点需要攻克,包括要提升采集脑电信号的实时性和准确性,减少脑机接口的伤害性等,“目前也能实现通过脑机接口精准控制部分动作,但需要通过开颅手术植入电极到对应的脑区,采集细胞放电率。”

实际上,类似《阿凡达》电影场景,只是脑机接口应用中的一部分。大脑是一个神奇器官,作为人体内结构最复杂的组织,其内部大约有1000亿个神经元。据天文学家估算,在我们的银河系中,大约有2000亿~4000亿个恒星组成。所以,将人类大脑类比为一个深邃奥妙的复杂银河系,也毫不夸张。

针对这个人脑“银河系”的脑机接口技术,则需要根据不同的“星体”进行信息的加工处理。也就是说,不同类型的脑机接口需要获取不同功能区域的大脑皮层发出的信号。段峰告诉记者:“脑机接口主要的应用范围在大脑皮层,它作为控制和调节躯体运动的最高级中枢,分为精神功能区、视觉区、听觉区、机体感觉区、语言区这五个功能区域,主导机体内一切活动过程,并调节机体与周围环境的平衡。”

各类脑机接口示意图(不含介入式)

而从技术角度来看,脑机接口大致分为侵入式、非侵入式和介入式三大类。侵入式脑机接口需要通过开颅手术或者钻透颅骨将脑电传感器植入脑内,可能会导致患者大脑的长期炎症。非侵入脑机接口虽然对人没有伤害,但是脑电信号微弱,识别准确率和实时性受限,精确度略低。

“介入式脑机接口正好在两种方式中间,我们将电极挤压在靠近大脑的血管壁上,从而获取相应脑区信号。”根据段峰介绍,这一技术最大的优点是不需要颅骨钻孔或开颅手术即可获得脑电信号,整个手术植入过程可在两小时内完成。“血管壁上可以采集到的信号也是阵列式的,对采集到信号进行解析是没问题的,目前我们已经在视觉皮层区采集到了对应的信号。”

在段峰教授团队牵头下,今年6月25日,我国自主研发的国内首款介入式脑机接口在北京成功完成动物试验,试验是国内首次在羊脑内实现介入式脑机接口,突破了介入式脑电电极、血管内脑电采集等核心技术,完成了支架、导管等神经介入器械产品研制,解决了传统侵入式脑机接口对脑区造成不可逆损伤的弊端,填补了国内介入式脑机接口领域空白,对推动我国脑科学领域发展具有重要意义。


走出电影,技术已映入现实


虽然在实现借脑机接口“变身”潘多拉星人一事上,人类还有很长的路要走,但当下想“浅浅”体验一把脑机接口技术的神奇其实并不是什么难事。

打开某购物网站,搜索“脑电波”“意念检测”等关键词,就能看到不少基于头皮脑电的脑机接口产品,价格在几百元到上千元不等。用户只需简单地将脑波检测装置佩戴在头上,就能通过“意念”控制实体或虚拟的小车、人物完成简单的运动。

而在目前脑机接口技术使用最多的医疗场景,相关技术早已运用到癫痫、帕金森病、瘫痪、中风等临床治疗上。

如运用了侵入式脑机接口技术的DBS术(深部脑刺激术)已是当下治疗帕金森病常用的手术治疗方法,并逐渐推广至用于治疗中风、癫痫等神经功能受损疾病。

DBS治疗流程(图片来源于网络)

资料显示,该疗法是将电极植入到患者脑内,运用脉冲发生器刺激其大脑深部的某些神经核,纠正异常的大脑电环路,从而减轻神经方面的症状。

去年,上海交通大学医学院附属瑞金医院还启动了难治性抑郁症脑机接口神经调控治疗的临床研究项目,尝试使用DBS术治疗抑郁症。

患者用假肢吃到巧克力(图片来源于网络)

此外,早在2012年,匹兹堡大学和匹兹堡大学医学中心(UPMC)的研究人员就通过在瘫痪患者大脑运动皮层上植入电极,让她实现了用脑电波控制机械臂来完成进食、移动物体等特定动作。

2020年,浙江大学团队也完成了中国首例侵入式脑机接口的临床转化研究,让一名72岁的高位截瘫患者通过脑机接口控制机械臂,重获进食、握手等运动能力。

操纵仿生手弹钢琴(图片来源于网络)

近年来,我国有公司还研发出通过非侵入式脑机接口控制的仿生假肢。该类假肢可以通过采集、处理人体肌肉运动产生的肌电神经电信号来实现仿生假肢动作控制,仿生手控制精确度甚至可达每根手指,已有残疾患者通过练习实现了写毛笔字、弹钢琴等更为复杂的操作。

目前,部分脑机接口设备还被应用于癫痫、脑肿瘤、脑血管病等疾病的诊断与监护。


中国脑机接口技术位列国际先进水平


“在介入式脑机接口研究领域,中国达到了国际先进水平,我们基本上是同时跟澳大利亚展开相关科研的。我认为介入式脑机接口也是未来发展的趋势。”

而谈到脑机接口技术的未来应用,段峰认为它会最先广泛应用于医疗领域,而能最快看到成果的也是这一领域,“比如在瘫痪患者康复这一块。”

国内较先一步将脑机接口技术产业化的博睿康科技(常州)股份有限公司(以下简称:博睿康)也和段峰有着相似看法,他们认为未来脑机接口技术最先落地的产品多数在医疗领域。

公司董秘李佳斌还提到他们正在研发的最新产品除了用于癫痫的神经调控,也能帮助高位截瘫、渐冻症患者进行肌肉方面的康复或是与外界进行一定的沟通。

据悉,博睿康是一家专注于脑机接口研发的高新技术企业,近日刚刚获得数亿元的C轮融资。目前,他们产品面向的客户主要是科研机构和医院。

除了博睿康外,近年在资本市场上备受关注的Synchron、BrainCo等脑机接口主流企业也大都将产品布局于医疗健康领域。如Synchron专注于研发“静脉植入式”脑机接口装置,用以治疗包括肌萎缩侧索硬化症(ALS)在内的瘫痪患者,帮助他们恢复某些机体功能;BrainCo的产品则覆盖康复、健康、学习三个领域,康复领域产品的主要用途是为残疾人康复、孤独症等脑疾病提供解决方案。

而从创新医疗、世纪华通、汤姆猫等上市公司与脑机接口科研团队合作情况看,医疗也是被主要关注的领域之一。

为什么脑机接口主流企业不选择消费、电子、娱乐等更有市场想象力的C端领域?李佳斌认为影响的因素有很多,包括无创级脑机接口的通讯速率难以满足消费者更高级的使用需求、脑机接口仪器收到高质量脑电信号的环境条件日常生活中难以满足、目前人类对大脑的认识无法支撑更多样的消费级产品的开发等。

在遥远的将来,当人类对大脑的了解足够全面深入,脑机接口设备也能更便捷准确地接收到大脑信号,或许将脑机接口技术运用于娱乐、消费领域的产品就会应运而生。彼时,像《阿凡达》中用“意识”控制另一具身体,甚至是将“意识”转移的场景也会映入现实。

评论 10

  • 嘉州援彝胡敏洪 2023-08-03 发表于四川

    推动脑科学领域发展!

  • 屏山县屏山镇长乐村驻村工作钟莉 2023-04-04 发表于四川

    高科技

  • 汐止 2022-12-24 发表于四川

    盼望着盼望着

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